ما حجم نيوترون؟

النيوترون جسيم بلا شحنة كهربائية، يوجد مع البروتونات في نواة كل ذرة تقريبًا. يبلغ قطره نحو 1.7 فمتومتر، ويُقاس بوصفه ضعف نصف قطره المغناطيسي، وهو يصف كيفية توزع مغناطيسيته. والفمتومتر جزء من مليون من جزء من مليار من المتر (10⁻¹⁵ متر).

الحجم

ليس للنيوترون سطح صلب. فهو مؤلف من ثلاثة جسيمات أصغر تسمى الكواركات، هي كوارك علوي واحد وكواركان سفليان، تربطها القوة الشديدة، وهي القوة نفسها التي تربط النيوترونات والبروتونات معًا في النواة. للكوارك العلوي شحنة موجبة وللكواركين السفليين شحنتان سالبتان، وتلغي هذه الشحنات بعضها بعضًا.

يُقاس حجم البروتون من كيفية توزع شحنته الكهربائية، لكن ذلك لا يصلح للنيوترون. فشحنته الموجبة وشحنته السالبة موزعتان توزيعًا مختلفًا إحداهما عن الأخرى، ولذلك يكون ناتج المقياس المعتاد لحجم الشحنة عددًا سالبًا، ولا يمكن أن يكون العدد السالب عرضًا. ولهذا يستخدم الفيزيائيون مغناطيسية النيوترون بدلًا من ذلك.

يتصرف النيوترون كمغناطيس صغير. وتعطي مجموعة بيانات الجسيمات (Particle Data Group)، التي تجمع قياسات الجسيمات في العالم، متوسط نصف قطر هذه المغناطيسية بقيمة 0.864 فمتومتر، بعدم يقين يبلغ نحو 1%. وتبيّن تجارب التشتت أيضًا أن النيوترونات والبروتونات متقاربة الحجم.

مقارنات الحجم

النيوترون بحجم البروتون تقريبًا. وعند قياسهما بالطريقة نفسها، أي بحسب مغناطيسيتهما، يختلف نصفا قطريهما بأقل من 2%.
نواة الهيليوم، المؤلفة من نيوترونين وبروتونين، يبلغ قطرها نحو 3.4 فمتومتر، أي نحو ضعف عرض نيوترون واحد.
لو جرى تكبير النيوترون إلى حجم كرة السلة، لبلغ قطر نواة أكثر أنواع اليورانيوم شيوعًا، وهي التي تضم 146 نيوترونًا و92 بروتونًا، نحو 1.6 متر.
لو وُضع نحو 60 مليار نيوترون جنبًا إلى جنب لامتدّت على عرض شعرة الإنسان، وهو نحو 0.1 مليمتر.

كيف اكتُشف النيوترون

في عام 1930، أطلق فالتر بوته وهربرت بيكر جسيمات ألفا، وهي نوى هيليوم، على فلز البريليوم. فأصدر البريليوم إشعاعًا قويًا نافذًا، ظن بعض الفيزيائيين أنه إشعاع عالي الطاقة من جنس الضوء نفسه. وفي عام 1932 بيّن جيمس تشادويك، الذي كان يعمل في مختبر كافنديش في كامبريدج بإنجلترا، أن هذا الإشعاع مؤلف من جسيمات متعادلة كتلتها قريبة من كتلة البروتون. وكان إرنست رذرفورد قد اقترح احتمال وجود مثل هذه الجسيمات في النوى، وأُطلق عليها اسم النيوترونات.

ولأن النيوترون بلا شحنة، فإن الشحنة الموجبة للنواة لا تدفعه بعيدًا. ولذلك تستطيع النيوترونات أن تصل إلى النوى وتشطرها، حتى أثقلها، وقد مهّد اكتشاف تشادويك الطريق إلى شطر اليورانيوم. ونال عنه جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1935.

النيوترون وحده

خارج النواة لا يدوم النيوترون طويلًا. فهو يبقى في المتوسط نحو 15 دقيقة (878 ثانية) قبل أن يتحلل إلى بروتون وإلكترون وجسيم يسمى مضاد النيوترينو. والنيوترون أثقل قليلًا من البروتون، بنحو 0.14%.